随着对显微外科手术需求的日益增加,手术显微镜已作为一种重要的手术设备广泛应用于眼科、耳鼻喉科、神经外科、口腔科等各种显微外科手术。手术显微镜机架的结构也影响着医生手术时操作的便捷性,灵活性。因此拥有紧凑的设计,充裕的伸展范围,便捷可靠的操作,满足不同显微外科手术布置方式的手术显微镜机架结构显得尤为重要。国外Zeiss,Leica等公司的手术显微镜机架已经发展到相当高的水平。而目前国内生产的手术显微镜机架由于机架平衡臂平衡方式等限制,伸展范围小,不能适用于各科显微手术要求。本文同时根据手术显微镜机架的演变历史和研究现状,结合电磁制动和机器人技术,设计了一种六自由度电磁锁紧重力平衡式手术显微镜机架。由于生产手术显微镜机架成本过高,我们需要对所设计结构的机架关键零部件进行强度校核,保证手术显微镜机架的可靠与可行。并通过建立手术显微镜机架的三维模型,利用有限元分析软件对有关结构分析,以此来检验设计的合理性。先提出了机架的总体设计方案,根据机架的设计指标,确定了重力平衡机架的整体构型,采用在码垛机器人上广泛应用的双平行四边形机构和国外最新的重力平衡结构,使得整个手术显微镜能在医生手术期间达到一种稳定的平衡。接着根据机架特点确定了电磁锁紧装置的设计参数,诸如摩擦片的内外径、弹簧、线圈的设计与选型;综合了多种底座结构,设计了一种两点触底止动,脚踏板控制制动与松开的新型内部止动装置,采用空腔内部增减配重块的方式使得整个手术显微镜机架既便于运输又不容易侧翻。根据D-H法建立机架的运动学模型,对机架进行运动学分析。首先求解出正运动学方程,并利用Matlab中的Robotics ToolBox工具箱验证了正运动学方程的正确性;在分析逆运动学时,和一般机械臂不同的是,机架有一个双平行四边形结构,我们灵活地选用几何法来分析,然后通过蒙特卡罗法以点云图的方式直观地显示出机架的工作空间,并且通过对比传统平衡方式,可以看出该机架工作空间大,可适应多科室手术要求。利用Solidworks已经建立好的机架三维模型,利用Ansys Workbench软件对机架的关键部件和整机进行有限元分析,得到平衡臂的最大应力和最大位移值,然后分别对整机的四个极限位置静力学分析,验证了机架系统的可靠性。最后选取平衡臂三个可优化变量:折弯半径、两轴线水平长度以及平衡臂中主拉管的壁厚,在应力和总位移约束条件下,使总质量降低。